[科普中国]-镁铝合金

镁铝合金简介

镁(magnesium)是最轻的结构金属。几种常用结构金属的密度（g·cm-3）(20o)如下：AL Mg Ti Fe Cu2.70 1.74 4.51 7.87 8.96可见镁的密度约分为Al,Ti,Fe,Cu的64%，39%，22%，19%。1

性质由于镁的密度小，它的合金也以质轻著称。例如，20℃时的弹性模量为45Gpa，比铝(70Gpa)和Ti(120Gpa)的低，但三者的比弹性模量相同(～26Gpa)。镁和镁合金质量小的特点，使其在交通运输、航空工业和航天工业上具有巨大的应用前景。1

镁的熔点为 651℃，沸点为1107℃。镁的蒸气压很高，627℃时为215215。95Pa，727℃时为1037。1Pa，因此镁铍极易挥发。镁原子最外层的两个电子很易失去，是很活泼的金属。常温下镁能与F、CL、BR、I等元素作用生成相应化合物。加热时镁能与硫、氮作用生成MgS和Mg3N2。在空气中镁会慢慢氧化，失去银白光泽而变黑。若温度提高至400℃以上，镁的氧化速度增快，超过500℃以后氧化速度更快，会着火燃烧，此时会生成氧化镁和少量氮化镁。镁燃烧时会发出非常强烈的光亮。镁的这一特点，颇受人们。早期就被利用于摄影照明，给人们留下美好的形象和记忆。战争时期，被用来制造照明弹，把战场和目标照明得如同白昼。又被用于制造燃烧弹，点燃战区的物资装备，杀伤对方有生力量。人们还利用镁的这一特点，将镁粉、铝粉和其它原料制成烟花。每当节庆的夜晚，随着阵阵悦耳响声，人们可以看到”嫦娥奔月””天女散花”……各种形色的烟花在夜空飞舞，多彩多姿，给人们带来极大的欢乐。顺便提一下，镁的这种”牺牲自我””乐于助人”精神处处可见。例如它仗着活泼的电化学性质做了牺牲自我的阳极，保护着其它的金属和设备。它又作为原电池阳极，耗尽了自己，照亮了他人。1

由于化学活泼性高，金属镁是耐腐蚀性能最差的金属之一。在酸性、中性和弱碱性溶液中它都会受到腐蚀而变成Mg2+离子。各种类型大气均会对镁产生程度不同的腐蚀作用。在干燥的空气中，它的表面上形成一层暗淡的的疏松多孔氧化膜，在潮湿大气中，生成的产物组成大致为Mgco3·3H2O+Mgso4·7H2o+Mg(OH)2。大气湿度增加，工为地区和海洋环境的大气中所含的二氧化硫和氯化物等物质，能加重镁的腐蚀。镁中氯化物杂质及铁杂质也会加速镁的腐蚀。因此，工业生产的镁锭必须镀膜钝化，涂油及以蜡纸包覆。1

镁简介镁是地壳中分布最广的元素之一，占地壳重量的2.77%，为第四个最丰富的金属元素(位于Al、Fe、Ca)之后。在自然界中镁只能以化合物的形态存在。在已知的1500多种矿物中，含镁矿物的有200多种，主要为碳酸盐、硅酸盐、硫酸盐、氧化物。海洋及盐湖中的镁比陆地上更多，是镁的主要来源.海水中含有10多种元素，镁的含量排第三，位居Na、K之后。海水中含镁0.13%每立方千米海水中有130万t镁，相当于世界镁年消耗量的4倍(见表2.8)盐湖水的镁浓度比海水更高。以东以色列、约旦之间的”死海”(实为另一内陆湖)，受到千万干旱气候的造化，湖水极浓，含镁竟高达4%.仅此一处的镁，就能满足全世界2.2万年的需要。1

纯镁不适合做结构材料。作为结构材料应用的镁主要是镁合金和铝－镁合金.全世界约有千种铝合金牌号，若按化学成份归类的话，约为300多种。这300多种铝合金几乎都含有镁，其中以镁作为主要添加剂的铝－镁合金(镁含量为10.5%)约为40种。全世界各国镁合金品牌共有200多种，这些品牌按化学成份可归为30多种.共中变形镁合金黄色10多种，铸造镁合金20多种，铸造镁合金主要有以下3个体系。1) 镁－铝合金。这种合金自第一次世界大战被德国使用以来，成了最广泛使用的铸造镁合金的基础。大部份含有8%～9%的铝及少量的锌(使拉伸性能有某些提高)和锰(改善抗蚀性)2) 镁－铝－锌合金。镁－铝合金中加锌会产生一定的强化作用，其中高含锌量的合金具有很吸引人的压铸特性。如Mg－8AL－8ZN，具有足够大的流动性，可用于压铸件，而且流动性和抗蚀性超过传统铝－锌合金。3) 含锆镁合金。锆能细化晶粒，改善镁合金的拉伸性能，提高镁合金蠕变能力，以满足航空和航天工业的需要。属于这一系列的合金有镁－锌－锆合金，镁－稀土－锌－锆合金，以及镁－钍系为基和镁－银系为基的含ZR合金。这种含稀土金属和或含钍的合金都可焊.钍也能改善铸造性能。银可以进一步提高拉伸性能。1

镁是密排六方晶系的金属，可以承受的形变量有限(特别是在低温下)。其变形材料主要在300～500℃温度范围内通过挤压、轧制和压力锻造进行生产。变形合金可以按照它们是否含锆而分成两类。按照变形产品种类可分为三类:1薄板和厚板轧制金。如AZ31(Mg-Al-Z系)，ZM21(Mg-Zn-Mn系)和ZE10(Mg-Zn-RE系)，这三种合金都可焊，后两种强度较低。LA141A(Mg-Li-Al)等也属这一类，前面已作详细介绍.属于这一类的还有含钍的HK31(Mg-Th-Zr系)以及随后研制的HM21(Mg-Th-Mn等)，它们的高温强度更高。2挤压合金。这类合金含铝量大多在1%～8%之间。1

镁合金镁合金都具有密度小的特点，特别是某些镁-锂合金（见前），密度甚至低于1。美英俄等国正在研制含钇镁合金。一种Mg-8.5Y-1.25Zn-0.5Zr合金，其密度小于1.9g·cm-3 ，抗拉强密度420Mpa， 0.2%屈服强度360Mpa，比现有任何一种变形镁合金的都高，同高强度铝合金强度相当。1

镁铝合金分子式：Mg4Al3分子量：178.22颜色为灰褐色，比重约为2.15g/cm3，熔点463℃，燃烧时产生的温度达2000℃-3000℃。在烟花生产过程中起着非常重要的还原剂作用，也可作为白光剂和照明剂。镁铝合金是用镁锭和铝锭在保护气体中高温熔融而成。长期以来关于镁铝合金的结构有两种说法。一种说法是镁铝合金是简单物理混合；另一种说法是镁铝合金内部改变了晶体结构，不是简单的物理混合。镁锭和铝锭在高于1150K时，部分铝与空气中的氧气反应，生成a-Al2O3,氧化铝的此种晶体化学性质呈惰性，起着屏障、隔离作用。低于1150K时，生在B-Al2O3而这种晶体与酸反应，保护不了内部的镁铝合金。1

标准的镁铝合金中镁、铝的含量各约为50%。活性铝含量的多少对烟花的安全生产和产品的质量有很大的影响。但是生产镁铝合金的企业多为私营企业，铝锭比镁锭贵，受利益的驱动，大多未按国标生产。镁铝合金粉中铝的含量普遍低于50%，有的铝含量低到了40%。镁含量的增加使得镁铝合金的性质接近镁粉的性质，使得烟火药的撞击感度、摩擦感度增加，烟火剂更加敏感，从而增加隐患。我们可能以用下面的化学机理来检验镁铝合金中铝的含量。镁锭在镁铝合金中的应用：镁铝合金由镁锭和铝锭在保护气体中高温熔融而成，其组成有：简单的物理混合与已改变晶体结构的物理混合两种说法。1

现有应用镁合金DVD门盖板良好的刚性、尺寸稳定性和导热性不仅比塑料门盖板更为轻薄，同时也避免因受热引起老化变形而导致的功能性故障。1

更轻更薄的笔记本电脑无一不将镁合金外壳做为其首选，不仅因为镁合金有好的强度、刚性和尺寸稳定性，优良的电磁屏蔽性和导热性更能保护电脑长时间正常稳定地工作。1

手机的发展趋势是越来越薄，越来越轻，大的显示屏更成为了时尚，镁合金密度小、强度高、刚性好正符合了其要求，同时优良的电磁屏蔽性也减轻了电磁辐射对人体的伤害。1

成型原理将镁合金粒料吸入料管中，加热的同时通过螺杆的高速运转产生触变现象，射出时以层流的方式充填模具，形成结构致密的产品。1

定位近十年来，中国镁的产量大幅度增长，据统计，2011年中国镁产量占全球总产量的80%以上，镁的生产工艺逐步成熟、完善，镁的应用开发也取得不小进展，在一些应用领域甚至还出现了与铝竞争的现象。这种情况下，以镁替代铝的话题也不时浮出水面，有段时间甚至甚嚣尘上，一度引起社会的广泛关注。那么镁在未来能否替代铝，镁业分会会长徐晋湘在一次采访中纠正“替代”概念，他表示，镁和铝不存在替代的问题，它俩各自的应用角色与其它材料一样，都是在历史发展过程中逐渐形成的，这些角色可能在某些领域的某段时间出现相互转换，但不是“代替”而是“接替”。从理论上讲，任何材料都有其独有的、别的材料无法替代的性能，人类使用数千年的陶土和木材仍不能被别的材料所完全替代，更何况性能极其优越的铝及铝合金材料。角色的定位应是在“正视现实”、着眼发展”的辩证基础上用“两点论”而不能用“一点论”来定义。徐会长并谈到，从消费量来看，全球铝年产消费量超过5000万吨，在人类生活的各个领域都得到了广泛的应用，而全球镁的产量才有区区的80万吨，因此用镁代替铝是不现实的，也不是镁业发展追求的方向，但从市场的角度，镁和铝在某些领域内即便出现一定竞争也是正常的，因镁及镁合金材料各自有其独特的性能优势。1